第一作者：Eui Hyuk Jung
通訊作者：Jangwon Seo、Jun Hong Noh
通訊單位：韓國KRICT
研究亮點：
1. 巧妙利用一種導(dǎo)電性差的材料（寬帶隙鹵化物，WBH）覆蓋鈣鈦礦層，有效減少界面處的電荷復(fù)合。
2. 基于低成本的P3HT空穴傳輸材料，在不需要任何摻雜劑的情況下，實現(xiàn)了22.7%的鈣鈦礦太陽能電池認(rèn)證效率！
問世至今，鈣鈦礦太陽能電池已經(jīng)走過了十年。從最初的星星之火到如今的燎原之勢，發(fā)展不可謂不迅猛。然而，奪取硅基太陽能電池的霸主之位，拯救光伏產(chǎn)業(yè)的臨門一腳，卻遲遲未能實現(xiàn)。
其中一個至關(guān)重要的問題在于，人們始終沒有找到一種合適的空穴傳輸材料：
1）高效鈣鈦礦光伏器件目前需要采用PTAA或者spiro-OMeTAD作為空穴傳輸層，而這兩種材料價格昂貴。
2）除此之外，往往還需要加入摻雜劑以增強空穴傳輸能力，而摻雜劑又會導(dǎo)致鈣鈦礦層降解。
2019年3月27日，韓國科學(xué)家Jangwon Seo、Jun Hong Noh團(tuán)隊提出了一種高效鈣鈦礦太陽能電池器件架構(gòu)，使用低成本的P3HT作為空穴傳輸材料，不需要任何摻雜劑，實現(xiàn)了22.7%的認(rèn)證效率！韓禮元教授收邀在Nature發(fā)表評論文章，對此成果進(jìn)行了點評。
全新的器件架構(gòu)丨Nature
難在哪里？
為了尋找PTAA或者spiro-OMeTAD的替代材料，人們進(jìn)行了各種嘗試。P3HT由于具有價格便宜，優(yōu)異的光電特性，并適用于工業(yè)規(guī)模的制造而被視作候選之一。問題在于，長期以來，基于P3HT的鈣鈦礦光伏器件效率一直偏低，最高也只有16%左右。
怎么辦呢？讓我們從鈣鈦礦光伏器件中的空穴傳輸層開始講起。
太陽能電池的一般由“活性”材料（如鈣鈦礦）吸收光，產(chǎn)生一對電荷載流子，即帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴；然后，電荷載流子分離并傳送到電路中的不同電極，從而產(chǎn)生電流。因此，必須將鈣鈦礦夾在兩層材料之間，一層材料傳輸電子，一層材料傳輸空穴。
使用P3HT作為空穴傳輸材料主要存在2個問題：
1）P3HT與鈣鈦礦的物理接觸很差，從而限制了材料之間的空穴傳遞。
2）電子和空穴可以在鈣鈦礦-P3HT界面處進(jìn)行非輻射復(fù)合，導(dǎo)致能量損失。
創(chuàng)新在哪里？
韓國研究團(tuán)隊的關(guān)鍵創(chuàng)新之處在于，利用一種導(dǎo)電性差的材料（寬帶隙鹵化物，WBH）覆蓋鈣鈦礦層。由于WBH阻止鈣鈦礦層和P3HT之間的電子轉(zhuǎn)移，因此有效減少界面處的電荷復(fù)合。
這種WBH層是通過正己基三甲基溴化銨（HTAB）與鈣鈦礦層的表面原位反應(yīng)生成，由疏水尾部和親水頭部組成。由于范德瓦爾斯作用力，HTAB的尾部與P3HT的疏水側(cè)鏈具有強烈相互作用，這些相互作用導(dǎo)致P3HT中的分子在WBH表面自組裝形成纖維狀。
空穴傳輸材料丨Nature
P3HT的整體結(jié)構(gòu)影響其電荷傳輸性質(zhì)，纖維狀P3HT中的空穴遷移率比無定形形式P3HT中的空穴遷移率高約10,000倍，這意味著不需要再使用摻雜劑來改善空穴傳輸。此外，HTAB分子能有效地中和鈣鈦礦晶體表面的帶電缺陷，有助于減少在鈣鈦礦-P3HT界面處發(fā)生的非輻射復(fù)合。
前景如何？
基于以上改進(jìn)，研究團(tuán)隊實現(xiàn)了22.7％的認(rèn)證效率，滯后為±0.51％。在封裝情況下，室溫1-sun照射下具有長達(dá)1,370小時的操作穩(wěn)定性，保持95％的初始效率。研究人員認(rèn)為，這種優(yōu)異的穩(wěn)定性歸因于使用了不含摻雜劑的P3HT。由于HTAB分子的疏水性尾部，未封裝的器件也顯示出更好的防潮性，在85％的相對濕度下表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。
光伏性能丨Nature
穩(wěn)定性測試和大面積模組丨Nature
研究團(tuán)隊表示，P3HT也可以通過使用旋涂、刮涂法擴(kuò)展到大面積模組（24.97 cm2），并分別實現(xiàn)16.3%和16.0％的效率，這表明這種太陽能電池架構(gòu)可以可靠地大規(guī)模生產(chǎn)，實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。
總之，這項研究成果對于加速鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化進(jìn)程，起到了重要推動作用！
參考文獻(xiàn)：
1. Eui Hyuk Jung, Jun Hong Noh, JangwonSeo et al. Efficient, stable and scalable perovskite solar cells usingpoly(3-hexylthiophene). Nature 567, 511–515, 2019.
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1036-3
2. Liyuan Han. Solar cells boosted by animproved charge-carrying material. Nature 2019, 567, 465-467.
https://www.nature.com/articles/d41586-019-00936-x
